Construction durable
Etude de cas : Dübendorf Lycée Français
Professeurs :
Gnansounou Edgard Nussbaumer Alain et intervenants externes
Étudiants :
Barnoud Mathieu Franch Adrien Thiriot Julien
Trifunovi¢ Aleksandar Yilmaz Fikret Can
Table des matières
1 Contexte 2
1.1 Objectifs de l'étude de cas . . . 2
1.2 Planning et répartition du travail . . . 3
1.3 Flowchart . . . 3
2 Projet Dübendorf Lycée Français 4 3 Les outils d'analyse 5 4 Analyse de la durabilité globale du projet 6 4.1 Aspects sociaux . . . 6
4.2 Aspects économiques . . . 11
4.3 Aspects environnementaux . . . 13
5 Bilan énergie grise et émissions de gaz à eet de serre 16 5.1 Bilan énergie grise et émissions de gaz à eet de serre de la construction au moyen de l'outil Excel SIA 2040 Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la société à 2000 Watts 16 5.2 Bilan énergie d'exploitation et émissions de gaz à eet de serre de l'exploitation au moyen de l'outil Excel SIA 2040 Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la société à 2000 watts 25 5.3 Bilan énergie et émissions de gaz à eet de serre en lien avec la mobilité quotidienne au moyen de l'outil Excel SIA 2040 Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la société à 2000 watts 29 5.4 Bilan global compatibilité du bâtiment avec les objectifs quantitatifs de la société à 2000 watts, au moyen de l'outil Excel SIA 2040 Interprétation des résultats par rapport aux valeurs cibles de la société à 2000 watts Formulation de recommandations pour optimiser de manière globale le bilan du projet 31 5.5 Recommandations . . . 33
6 Construction d'une halle de sport 35 6.1 Variante bois . . . 37
6.2 Variante métal . . . 44
6.3 Variante construction en béton . . . 53
6.4 Conclusion - construction de la halle de sport . . . 59
1 Contexte
Au cours de cet unité d'enseignement, les diérents intervenants vont nous transmettre les infor- mations et le savoir nécessaire pour évaluer la durabilité d'un bâtiment.
L'exercice d'apprentissage choisi est l'étude du projet réalisé ; Dübendorf Lycée Français. Il s'agit d'une école conçue pour 1'080 élèves. Le projet est caractérisé par le label de développement durable suisse Minergie-ECO.
1.1 Objectifs de l'étude de cas
Phase 1 :
1. Analyse de la durabilité globale du projet par rapport aux trois piliers du développement durable tels que dénis par le SNBS, avec en particulier une analyse qualitative (1 page A4) des aspects sociaux
2. Bilan énergie grise et émissions de gaz à eet de serre de la construction au moyen de l'outil Excel SIA 2040. Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la société à 2000 watts
3. Bilan énergie d'exploitation et émissions de gaz à eet de serre de l'exploitation au moyen de l'outil Excel SIA 2040. Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la société à 2000 watts
4. Bilan énergie et émissions de gaz à eet de serre en lien avec la mobilité quotidienne au moyen de l'outil Excel SIA 2040. Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la société à 2000 watts
5. Bilan global compatibilité du bâtiment avec les objectifs quantitatifs de la société à 2000 watts, au moyen de l'outil Excel SIA 2040. Interprétation des résultats par rapport aux valeurs cibles de la société à 2000 watts. Formulation de recommandations pour optimiser de manière globale le bilan du projet
6. Recommandations Phase 2 :
1. Construction d'une halle de sport, comparaison de trois options : construction en béton, bois ou métal pour la halle de gym du projet Dübendorf Lycée Français, en analysant le bilan émission de gaz à eet de serre, la démontabilité et la recyclabilité, et d'autres thèmes de durabilité
1.2 Planning et répartition du travail
Figure 1 Planning du projet d'étude
1.3 Flowchart
2 Projet Dübendorf Lycée Français
Le projet, le Lycée français de Dübendorf (Zürich) est un établissement scolaire pour environ 1100 élèves, permettant de suivre l'ensemble de leur cursus scolaire en Français (de l'école maternelle au lycée).
Le projet consiste en 3 ouvrages, un bâtiment principal avec salles de cours et administration, un bâtiment plus petit "maternelle" et un gymnase (bâtiment avec salles de sport). Le plus grand édice comportera quatre étages (dont un rez-de-chaussée) et un sous-sol. La surface de plancher totale de projet est d'environ 14000 [m2].
Le projet est prévu en Minergie-ECO, donc une construction durable qui associe les quatre élé- ments fondamentaux que sont l'écologie du bâtiment, les aspects de santé, le confort et l'ecacité énergétique.
3 Les outils d'analyse
L'outil de la SIA 2040
Cet outil, La voie SIA vers l'ecacité énergétique , vise à évaluer les valeurs d'énergie pri- maire non renouvelable et les valeurs d'émissions de gaz à eet de serre liées à la construction, l'exploitation et la mobilité du projet étudié. Le bilan porte sur la totalité de la durée de vie de l'ou- vrage, y compris les éventuels investissements de remplacement et l'élimination d'infrastructures ou d'éléments structurels. Ces valeurs sont comparées aux valeurs indicatives de chaque domaine, déterminées en fonction des objectifs intermédiaires à l'horizon 2050 de la société à 2000 watts .
Les valeurs cibles pour l'énergie grise (énergie primaire non renouvelable) et pour les émissions de gaz à eet de serre sont la somme des valeurs indicatives pour la construction, l'exploitation et la mobilité.
L'outil SNBS
Le standard SNBS, Standard Nachhaltiges Bauen Schweiz , est un standard développé par le Réseau de Construction Durable Suisse qui vise à encourager des constructions et infrastructures écologiquement, économiquement et socialement durables, selon les stratégies de développement de la Confédération suisse.
Ce standard est composé des trois grands domaines du développement durable : Environnement, Economie et Société. Pour chacun d'eux, des critères ont été dénis de sorte à pouvoir évaluer la durabilité d'un projet. L'élaboration de ces critères s'est faite sur base des normes suisses et des diérents labels européens proposés. Le type d'utilisation prévue (habitations/administrations) et le type de bâtiment (existant/neuf) est également pris en compte par le standard.
La complétude du SNBS en fait donc un bon outil de référence pour évaluer la durabilité d'un bâtiment.
L'outil LESOSAI
Il s'agit d'un logiciel de calcul, un outil complet permettant d'établir des bilans énergétiques et écobilans pour un projet modélisé dans le logiciel.
Cet outil tient compte des normes suisses mais également européennes et des labels Minergie.
Les bâtiments sont divisés en zones chauées et non chauées et le logiciel tient compte de leur aectation, du nombre d'utilisateurs et de la période d'occupation journalière. De nombreux paramètres spéciques à l'isolation, aux ponts thermiques, au système de chauage et de ventilation sont disponibles.
La situation géographique et l'orientation des bâtiments sont également prises en compte, an de dénir les bilans énergétiques de gains et pertes de chaleur annuels ou mensuels, ainsi que les
4 Analyse de la durabilité globale du projet
4.1 Aspects sociaux Analyse du site
Critère 101 SNBS : Analyse du site Qualité urbanistique et architecturale
L'analyse du site est un critère clé à satisfaire dans le cadre du thème contexte et architecture du domaine société tel que déni par le Standard suisse de construction durable. Le critère a pour objectif de sensibiliser les intervenants impliqués dans la planication, la construction et l'utilisa- tion du bâtiment, aux qualités urbanistiques et architecturales du site. Ces qualités sont dénies et évaluées par un catalogue de thèmes servant de guide de planication et de liste de contrôle.
Ainsi, les informations pertinentes pour mener une bonne planication et construction du projet pourront être rassemblées, et ce, toujours dans l'optique de promouvoir un espace structuré de manière exible et adaptable, doté d'une grande polyvalence.
Le futur lycée se trouve dans le quartier de Hochbord, à Dübendorf en banlieue de Zürich. A l'origine, la parcelle du lycée faisait partie d'un complexe agricole comprenant des serres et d'autres parcelles (côté est). Le voisinage se compose d'un certain nombre de centres commerciaux et d'entrepôts tous situés au nord du site en question : Pster, Migros, TopTip, Mobitare, Oce World, Diga et Interio pour n'en nommer que quelques-uns. Le siège social de Helsana AG, la compagnie suisse d'assurance-maladie, est située au sud, après le centre sportif Sportcenter Schu- macher et tout près de la station de train Stettbach. La face ouest est délimitée par une voie ferrée qui sépare le complexe agricole du parc Allmend Stettbach d'une supercie faisant environ le double de celle du lycée.
Analyse du site selon le catalogue des thèmes : 1. Paysage
L'analyse et la documentation du contexte paysager sont incomplètes. Certes, les développeurs du projet soulignent que le terrain d'accueil du projet s'agit d'un champ agricole avec un grand arbre se détachant nettement du milieu de la parcelle, mais cela ne sut pas en soi. Quelques mots pourraient être dits, par exemple, sur l'historique du champ agricole, qui était propriété de la ville de Zurich et qui doit donc faire gure d'une certaine identité au sein du quartier de Hochbord.
De même, aucune mention n'est faite à l'égard du parc Allmend Stettbach ; un parc faisant clai- rement partie du paysage et donc de l'identité de Hochbord, tel qu'illustré sur le site web de la commune.
2. Réseaux de transports / voies d'accès
Une emphase particulière est mise sur l'analyse des infrastructures de transport présentes dans la zone du LFZ. Tel que mentionné par les développeurs du projet, la présence de la gare de Stettbach à seulement 5 minutes du lycée marque l'excellent niveau d'accessibilité du site depuis la région zurichoise. Étant l'une des gares les mieux desservies de l'est de Zurich, le futur lycée
de toutes les directions ; le quartier de Hochbord est situé à deux minutes de l'autoroute. L'ac- cès piétonnière, elle, est garantie par des voies réservées exclusivement aux piétons et aux vélos et ce, du lycée jusqu'à la gare de Stettbach. En bref, toutes les voies de transport possibles sont présentées et justiées pour se rendre au LFZ, tout particulièrement celle du transport en commun.
3. Plan d'aectation local
Le plan d'aectation local demande quelques précisions supplémentaires. Les responsables du pro- jet présentent bel et bien l'emplacement du lycée par rapport aux infrastructures existantes de la localité : gare de Stettbach, maternelle, SAWI, Pster et Migros. Cependant, l'analyse peut être plus ranée. Par exemple, le site est implanté dans une importante zone commerciale du quartier, caractérisée par des bâtiments administratifs/de bureaux de grande taille (>1500m2 de surface utile), occupés entre autres par les sociétés de service Helsana (siège social) et Zurcher Kantonal- bank. En outre, deux centres de manufacture spécialisée, Maagtechnic et Hempel Special Metals, font partie du quartier.
Figure 4 Vue d'ensemble du quartier de Hochbord 4. Milieu bâti et espaces extérieurs
Pour arriver à bien identier les qualités du site, la situation relative du lycée et son interaction par rapport au milieu construit existant (infrastructures, bâtiments, etc) et aux espaces extérieurs doivent être comprises.
En ce qui concerne l'analyse de la structure du tissu bâti, on remarque, après avoir eectué une
Au niveau des espaces extérieurs, le projet tient compte, d'une part, d'un accès au site optimisé pour tous les modes de transport favorisant une transition ecace avec les espaces publics/semi- publics. Par exemple, les automobilistes bénécient d'un accès au bâtiment par le nord et le sud à l'aide d'un futur rond-point situé au nord-est du bâtiment. Un système de dépose minute est également intégré dans le but d'assurer une circulation uide et sécurisée aux abords du bâtiment.
De même, le tronçon de la Hochbordstrasse qui longe le LFZ est une voie restreinte aux bus, vélos et piétons.
D'autre part, le projet est caractérisé par une volonté de créer un grand espace extérieur : les vastes espaces destinés au sport et à la récréation se situant au sud-ouest des bâtiments sont agencés de façon à s'articuler visuellement avec le futur parc public de la JABEE Tower sur la parcelle voisine au sud.
Finalement, une note de 4/6 est obtenue pour le projet concernant ses qualités urba- nistiques et architecturales, les points à améliorer demeurent particulièrement dans l'analyse et la documentation des informations au niveau du paysage, de la typologie des bâtiments, des matériaux et mode de construction et de la démographie.
Figure 5 Résultat SNBS Critère 101 : Analyse du site
NOTE : L'évaluation du critère se base sur les informations fournies dans le document Dübendorf Lycée Français 1- Présentation du projet . Il est à noter que les exigences du catalogue de thèmes laissent place à une certaine marge d'interprétation. Celles-ci ont été répondues par Oui dans la mesure où l'information présentée est jugée susante. Par conséquent, la note obtenue agit simplement à titre d'indicateur ; ce n'est pas une note nale en soi.
Analyse du confort visuel, acoustique et thermique
Critère 107 SNBS : Confort visuel, acoustique et thermique -Lumière naturelle
-Vue vers l'extérieur
-Protection contre le bruit extérieur -Protection contre le bruit intérieur -Protection thermique estivale -Protection thermique hivernale
-Rayonnement non ionisant (smog électrique)
La géométrie de l'ouvrage et la disposition des volumes faite permettent un ensoleillement optimal des cours intérieures et un apport de lumière naturelle maximal pour le confort des élèves et du personnel. L'apport de lumière naturelle et la vue vers l'extérieure sont apportés par des façades très ouvertes, par exemple le rapport de surface non-opaque et surface opaque est d'environ 45 % pour la partie des étages (classes) de la façade sud, permettant un apport important de lumière à l'intérieur. Également, la profondeur (largeure) des salles a été limité an qu'elle dispose en entier d'un apport optimum de lumière naturelle. Des pare-soleils claires disposés, protègent contre le soleil mais laissent pénétrer susamment de lumière. Les places de rassemblement, comme les réfectoires sont orientées sur l'extérieur, bénéciant de lumière naturelle et d'une vue dégagé sur la cours.
La lumière naturelle, la protection contre le bruit, ainsi que la qualité de l'air ambiant ont été ap- porté au projet par une conception architecturale moderne, basée sur le standard de construction Minergie-Eco, avec la prise en compte également de la santé et le bien-être des utilisateurs en plus de niveau élevés de confort thermique, de renouvellement de l'air et d'ecacité énergétique.
Tout en restant très bien accessible, l'emplacement de l'ouvrage est éloigné des grandes artères routières et autoroutières, ce qui assure une faible teneur en dioxyde d'azote et ne nécessite aucune disposition particulière pour se protéger contre les bruits extérieurs. L'enveloppe du bâtiment et les séparations des volumes à l'intérieur permettent une isolation acoustique élevée favorisant la concentration des élèves.
Par une démarche de construction durable, les équipements techniques du bâtiment, lui apportent la performance et l'économie. Une pompe à chaleur utilisant l'énergie géothermique est disposée, avec le principal avantage ; la disponibilité de chaleur en continue. Cette même source, la géother- mie, permet également le rafraîchissement des locaux (free-cooling).
L'isolation renforcée de la façade, les stores extérieurs qui jouent le rôle de protection solaire et les toitures végétalisées garantissent le confort thermique selon le label, en diminuant les pertes de chaleur en hiver et en limitant les apports de chaleur en été.
Des ampoules à LED sont utilisées pour l'éclairage. Une attention particulière est portée sur les revêtements de sols et les peintures, dont les couleurs choisies sont en accord pour le confort visuel des utilisateurs.
Une note de 4.3/6 est obtenue pour le projet concernant ses qualités de confort. Le critère prépondérant est la lumière naturelle, caractérisant le bien être dans le bâti- ment de ses utilisateurs. Dans le cas de ce projet, l'apport de lumière pourrait être amélioré, en diminuant par exemple la hauteur du linteau ou de la poutre sous fenêtres dans le cas des salles de classes, mais toutefois il est important d'avoir un équilibre également avec les critères de protection thermique estivale et hivernale, car avec une plus grande surface de façade non opaque, l'échange de chaleur entre l'intérieur et l'extérieur est généralement augmenté.
Figure 6 Résultat SNBS Critère 107 : Confort visuel, acoustique et thermique
NOTE : L'évaluation du critère se base sur les informations fournies dans le dossier moodle du cours : Données du cas du Lycée français de Dübendorf . Il est à noter que les exigences du catalogue de thèmes laissent place à une certaine marge d'interprétation. Celles-ci ont été répondues par Oui dans la mesure où l'information présentée est jugée susante. Par conséquent, la note obtenue agit simplement à titre d'indicateur ; ce n'est pas une note nale en soi.
4.2 Aspects économiques Accessibilité
Critère 205 SNBS : Accessibilité
Évaluation de la valeur du bien immobilier du point de vue de son accessibilité dans le contexte régional et national.
Etude, valeur et justication pour chaque indicateur :
- Temps de parcours en voiture jusqu'au prochain échangeur autoroutier : environ 3 minutes.
- Temps de parcours en voiture jusqu'au centre de la région métropolitaine ou de la région capitale la plus proche, au sens du Projet de territoire Suisse : Zurich : environ 20 minutes par autoroute.
Figure 7 Évaluation de la durée de parcours jusqu'à la région capitale la plus proche - Durée du parcours (TIM (Trac Individuel Motorisé) ou TP (Transport Public), liaison la plus rapide) jusqu'à la prochaine gare ou au prochain n÷ud ferroviaire important : environ 6 minutes - Temps de parcours (TIM ou TP, liaison la plus rapide) jusqu'à l'aéroport de Zurich : environ 9 minutes en TIM et 2 minutes en TP.
Figure 8 Évaluation de la durée de parcours jusqu'à l'aéroport
En conclusion, pour le thème économie, le critère 205 obtient la note maximale, soit 6/6. Cela est justié car le lycée est idéalement situé : proche des transports en communs, gare, aéroport et autoroute accessibles facilement, que ce soit en TIM ou en TP. Pour un lycée, ce critère est à son importance car les élèves ne possédant pas de TIM doivent se rendre, à partir de n'importe où, assez facilement à leur lieu d'étude.
Le choix de l'emplacement a donc dû être un bon compromis entre les diérents moyens de transport an d'en faciliter son accessibilité.
Figure 9 Résultat SNBS Critère 205 : Accessibilité
4.3 Aspects environnementaux Mobilité
Critère 305 SNBS : Mobilité respectueuse de l'environnement
La mobilité est un thème important du Standard SNBS. En eet, la mobilité produit des dommages environnementaux pendant toutes la durée d'utilisation de l'école. Une mobilité pensée de manière intelligente et en amont du projet permet de diminuer les conséquences environnementales. C'est dans cette optique que le standard SNBS prévoit d'évaluer la mobilité du lycée.
Nous avons étudié le scénario dans lequel l'école ne procède pas à l'évaluation de la mobilité de ses élèves et de ses collaborateurs. De plus, nous étions partis du principe qu'uniquement 60 % des personnes utilisaient un mode de transport doux pour les déplacements. Dans le même scénario, le parking souterrain pour les professeurs est gratuit, ce qui n'incite pas à la mobilité douce.
Ainsi pour le critère 305 sur la mobilité respectueuse de l'environnement, le projet obtient une note de 3.8/6.
Figure 10 Résultat pour le scénario 1 de la mobilité
Dans un deuxième scénario, plus plausible, cette école eectue régulièrement des enquêtes sur la mobilité, elle dispose d'incitation pour les modes de transports doux (remboursement de 20% de l'abonnement de Zurich), de plus, nous imaginons que le parking souterrain est payant et coûte plus de 100 francs par mois et par place. Nous imaginons alors que plus de 80% des personnes utilisent un mode de transport doux. Dans ce scénario, l'école obtient une très bonne note de 5.3/6.
Figure 11 Résultat pour le scénario 2 (scénario retenu) de la mobilité
Paysage
Critère 307 SNBS : Mitage du paysage
Dans un pays comme la Suisse, l'objectif actuel est de densier les zones déjà urbanisées an d'avoir une utilisation optimale de ces dernières tout en conservant au maximum les parcelles non construites pour préserver au mieux le paysages et de pouvoir proposer des espaces verts.
Le projet du LFZ est situé dans une zone industrielle. Le lycée sera sur une parcelle non construite, actuellement utilisée comme zone agricole.
Figure 12 Photo de la parcelle choisie pour le projet
Cela n'est donc pas très approprié si l'on se place dans une optique de densication du territoire et de préservation des espaces non construits.
Le standard SNBS évalue ensuite si le terrain sera densié à son maximum avec le coecient d'utilisation du sol (CUS). Ce coecient est le rapport entre la surface de plancher du bâtiment et la surface totale du terrain. Plus ce coecient est élevé plus la construction est dense. L'objectif est donc que le projet possède un CUS le plus proche possible de la valeur limite imposée par la commune. Comme le LFZ se situe dans une zone industrielle, le coecient d'utilisation du sol est un volume de bâtiment par surface de terrain et non une surface de bâtiment par surface de terrain. On utilise un volume dans les zones industrielles car les usines ou les hangars peuvent avoir une très grande hauteur sous plafond ce qui donne de très grand volume pour peu de surface de plancher. Il ne serait donc pas pertinent de seulement prendre en compte la surface de plancher dans ce type de zone.
- Le volume limite dans la zone du LFZ est de 7 m3/m2
En divisant le volume limite par la hauteur d'un étage on obtient une valeur limite du CUS de 2.12 donc d'une utilisation du sol supérieure à 150%. Enn, en divisant la surface de plancher du lycée par la surface de la parcelle, on obtient une valeur de 62% du CUS limite. Le terrain n'est donc pas densié de manière optimale. Enn, il faut calculer la surface utile par employé. Pour cela on prendra en compte le nombre d'élèves plus le nombre d'enseignants.
Les détails et la note du critère 307 sont illustrés dans les gures de ci-dessous.
Figure 13 Détails pour évaluation du critère 307
Figure 14 Résultat SNBS Critère 307 : Mitage du paysage
On peut voir que le projet obtient la note de 3/6 ce qui n'est pas très bon. Cependant, il y a la présence d'une cour de récréation qui n'est pas prise en compte comme surface de plancher dans le CUS ainsi qu'un gymnase qui fait augmenter la surface utile par employé. Ces éléments sont indispensables pour une école et ne peuvent pas être retirés. Le projet pourrait changer d'emplacement pour être construit sur une autre parcelle qui n'est pas vierge mais cet emplacement est important pour l'accessibilité du lycée.
5 Bilan énergie grise et émissions de gaz à eet de serre
5.1 Bilan énergie grise et émissions de gaz à eet de serre de la construc- tion au moyen de l'outil Excel SIA 2040
Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la so- ciété à 2000 Watts
OUTIL SIA 2040 Comment concevoir une variante qui optimise le bilan de la construction
Nous avons souhaité analyser les valeurs données par l'outil SIA 2040. Ainsi nous avons xé la surface de plancher et la surface de référence énergétique à 1 m2.
Nous nous sommes rendu compte que l'outil donne des valeurs pour l'énergie primaire non renou- velable et pour les émissions de gaz à eet de serre qui sont proportionnelles aux métrés. En eet, pour chaque élément de la construction, l'outil multiplie la surface de l'élément par un coecient puis est divisé par la surface de référence énergétique. Ainsi, nous avons xé à 1 m2 l'ensemble des éléments de la construction, an de pouvoir trouver le coecient qui donne l'énergie primaire pour 1 m2 d'élément, ainsi que l'émission de gaz à eet de serre pour le produire.
On peut comme cela comparer des éléments semblables entre eux et ainsi mieux savoir quels choix constructifs sont judicieux pour réduire la quantité d'énergie primaire non renouvelable (l'énergie grise) et les émissions de gaz à eet de serre lors de la construction. Et quels choix constructifs sont à éviter pour réduire la quantité d'énergie grise et l'émission de gaz à eet de serre pendant la phase de construction.
On met en place ci-dessous, un système de code couleur :
· Le saumon pour un choix pas très judicieux
· Le vert pour un choix judicieux pour l'énergie grise et les émissions de gaz à eet de serre On commence avec les excavations, où deux choix s'orent à nous :
· Une excavation avec une nappe phréatique
· Une excavation sans nappe phréatique
Figure 15 Bilan construction pour les excavations
Ce paramètre inuence beaucoup le bilan d'énergie grise de la construction, comme on peut le voir, il est 3 fois plus gourmand en énergie et en gaz à eet de serre de procéder à une excavation en présence d'une nappe phréatique. Cependant, il ne s'agit pas d'un paramètre que l'on peut choisir, cela dépend de la nature du terrain.
Toujours concernant le sous-sol, on compare ensemble les fondations et radier, les murs extérieurs et les couvertures (surface au-dessus d'un sous-sol qui n'est pas recouvert par un bâtiment).
Figure 16 Bilan construction pour les éléments en sous-sol
Comme on pouvait s'y attendre, concernant la consommation d'énergie grise et l'émission de gaz à eet serre pendant la construction, il est préférable de ne pas mettre d'isolant. En eet, cela signie qu'il y a moins de composant dans le mur ou les fondations, donc de facto moins d'énergie grise pour le fabriquer et moins d'émissions de gaz à eet de serre.
Cependant, sur la durée de vie du bâtiment, il faut regarder si ne pas isoler les murs de sous-sol est une bonne option. En eet, peut-être que le bilan de la construction est bon, mais ensuite on va utiliser beaucoup d'énergie pour le chauage alors que ce n'est pas souhaitable.
De plus, on remarque des valeurs très élevées pour les éléments de couverture sur un sous-sol. Il convient donc de choisir une construction en sous-sol qui corresponde le plus possible aux limites du bâtiment hors-sol.
On s'intéresse maintenant aux façades du bâtiment hors-sol :
Figure 17 Bilan construction pour les façades hors-sol
On remarque qu'il est préférable de choisir une structure porteuse en bois du point de vue l'étude de l'énergie grise de la construction. En eet, utiliser le bois par rapport au béton permet de ré- duire de plus de la moitié l'utilisation d'énergie primaire non renouvelable et de réduire par 4 les émissions de gaz à eet de serre.
Concernant la composition des murs extérieures, il convient de privilégier des revêtements légers ventilés pour réduire l'utilisation d'énergie grise dans la construction. En eet, un revêtement léger ventilé utilise presque 7 fois moins d'énergie grise qu'une façade avec des montants-traverses entiè- rement vitrée. Et émet même 7.5 fois moins de gaz à eet de serre que la façade entièrement vitrée.
Pour le bilan de l'énergie grise du bâtiment, on se rend compte qu'il est intéressant de privilégier des revêtements légers plutôt que des façades entièrement vitrées.
Regardons maintenant les planchers du bâtiment :
Figure 18 Bilan construction pour les planchers
Le bois est à privilégier pour les planchers, en eet, un plancher mixte bois/béton utilise 54 % de plus d'énergie grise et émet presque le double de gaz à eet de serre.
Ensuite, l'utilisation d'une chape est à déconseiller, en eet un plancher sans chape utilise moitié moins d'énergie primaire non renouvelable et émet plus de deux fois moins de gaz à eet de serre.
De plus, on remarque que les balcons sont à éviter, ils apportent beaucoup d'énergie grise au bilan de la construction (29 MJ/m2) et leur construction émettent beaucoup de gaz à eet de serre (3 kg/m2).
On s'intéresse aux types de toiture à privilégier pour améliorer le bilan en énergie grise et gaz à eet de serre de la construction :
Figure 19 Bilan construction pour les toitures
Les toitures plates, qu'elles soient en bois ou béton ne sont pas optimales du point de vue du bilan de l'énergie grise de la construction, sans doute pour le fait qu'elles nécessitent plus d'étanchéité.
Ensuite pour les toitures inclinées, les charpentes en bois représentent une bonne solution, com- parées aux dalles de béton, les charpentes en bois apportent plus 2 fois moins d'énergie grise au bilan de la construction et 5 fois moins de gaz à eet de serre.
Comme nous avons déjà vu précédemment les toitures non isolées sont moins gourmandes en éner- gie pour la construction et émettent moins de gaz à eet de serre que celles isolées.
Si pour chaque catégorie d'élément, on choisit le meilleur concernant le bilan énergie grise et l'émission de gaz à eet, on peut voir quel type d'élément fait augmenter le bilan d'énergie grise de la construction. On représente ces éléments dans le graphique ci-dessous :
Figure 20 Éléments prépondérants dans le bilan d'énergie grise de la construction Les éléments de construction qui font beaucoup augmenter le bilan d'énergie grise sont les fenêtres, les balcons, les couvertures sur un sous-sol ainsi que les fondations et les radiers. Il convient donc de minimiser ces éléments de construction lors du projet an d'obtenir un bon bilan d'énergie grise.
Si nous faisons la même analyse avec les émissions de gaz à eet de serre, nous obtenons sensi- blement les mêmes conclusions sur les éléments de matériaux dont l'emploi est à minimiser pour minimiser les émissions de gaz à eet de serre de la construction.
Figure 21 Éléments prépondérants dans le bilan d'émission de gaz à eet de serre
Étude du projet LFZ-Valeurs de la phase construction
Nous allons maintenant étudier les valeurs obtenues d'énergie grise et d'émission de CO2 pour le LFZ. Après avoir fait les métrés sur les plan dwg, nous avons rentré les valeurs du projet dans l'outils SIA 2040. Nous obtenons les résultats achés dans la gure suivante.
Figure 22 Résultats de l'outil SIA 2040, valeurs obtenues d'énergie grise et d'émission de CO2 pour le LFZ concernant la construction
Nous remarquons que la valeur d'émission de gaz à eet de serre du projet est inférieure à la valeur indicative de la norme SIA. Par conséquent, ce projet convient aux attentes dans ce domaine.
Cependant, nous pouvons voir que en ce qui concerne l'énergie primaire non renouvelable, la valeur du projet est supérieure à la valeur indicative de la norme SIA. Nous allons donc nous intéresser principalement à comment réduire cette consommation d'énergie primaire. Bien entendu, les me- sures qui seront citées seront aussi bénéque pour les émissions de gaz à eet de serre.
Les points majeurs de la consommation d'énergie primaire non renouvelable sont :
-les planchers (structure porteuse et composition) avec environ 24% de la consommation totale -les fenêtres avec environ 12%
-les paroies intérieures avec environ 12%
Le projet possède par contre uniquement des toitures plates, ce qui comme nous l'avons vu de- mande plus d'énergie que les toitures inclinées. Une possibilité pour diminuer la valeur de projet serait de modier le projet architectural pour inclure des toitures inclinées dans le projet.
Ensuite, la surface de plancher peut dicilement être diminuée car elle est nécessaire à l'activité du bâtiment mais elle pourrait peut être être plus optimisée pour être réduite. Les planchers auraient pu être prévus en bois mais comme nous l'avons vu précédemment cela ne diminuerait que très peu la consommation d'énergie primaire non renouvelable.
Cependant une modication de sa composition pourrait être étudiée an de diminuer sa consom- mation d'énergie primaire non renouvelable notamment en supprimant les chapes.
Enn, comme nous l'avons vu un des points faibles de ce projet pour la consommation d'énergie primaire non renouvelable à la construction est la quantité de fenêtre qui est très élevée. Diminuer cette quantité impacterait grandement la valeur de projet car nous avons vu précédemment qu'elle est grandement énergivore.
Nous pouvons rajouter pour nir que des ouvrages tels que les couvertures qui demandent une grande quantité d'énergie primaire non renouvelable à la construction ne sont pas déterminantes dans ce projet du fait de leur présence en petite quantité.
5.2 Bilan énergie d'exploitation et émissions de gaz à eet de serre de l'exploitation au moyen de l'outil Excel SIA 2040
Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la so- ciété à 2000 watts
Introduction
La consommation d'énergie d'exploitation correspond à l'énergie consommée par les usagers d'un bâtiment selon diérents types d'utilisation. Elle s'exprime en énergie nale (énergie à disposition du consommateur) ou en énergie primaire (énergie dans sa forme brute) par [m2] de surface de référence énergétique. A titre d'indicateur simple, celle-ci répond à des considérations d'ecacité énergétique. Avec les émissions de gaz à eet de serre (GES) correspondantes en phase d'exploi- tation, les impacts environnementaux sont également évalués dès les phases d'études préliminaires et d'avant-projet.
Dénitions
Avant même de procéder à l'analyse de l'énergie d'exploitation du projet, il convient de dénir les diérents types d'utilisation impliqués selon les termes de la SIA 2040.
Tout d'abord, l'exploitation concerne tous les types d'emploi de l'énergie que sont la production de chaleur, la ventilation/climatisation, l'éclairage et les équipements d'exploitation. Ceux-ci se décrivent comme suit :
1. La production de chaleur comporte les besoins de chaleur pour le chauage et l'eau chaude sanitaire, incluant toutes énergies électriques auxiliaires.
2. La ventilation/climatisation inclut l'énergie non seulement pour la ventilation, mais également pour le refroidissement, la déshumidication et l'humidication.
3. L'éclairage comporte l'énergie électrique pour l'éclairage intérieur et extérieur.
4. Les équipements d'exploitation comportent l'énergie électrique nécessaire pour les équipements d'exploitation et toutes autres installations techniques du bâtiment.
Aide au calcul SIA 2040
Pour la phase d'exploitation du Nouveau Lycée Français de Zürich (catégorie d'ouvrages écoles ), La voie SIA vers l'ecacité énergétique xe les valeurs indicatives pour les besoins en énergie primaire non renouvelable et les émissions de GES respectivement à 180 M J/m2 et 2,5 kg/m2. Dans la situation où les valeurs de projets dépassent les valeurs indicatives, les mesures les plus ju- dicieuses à prendre en vue d'améliorer les composantes du système d'exploitation du lycée peuvent être déterminées. Ainsi, on arrivera à améliorer l'ecacité énergétique et/ou à réduire les émissions de GES.
Données sur les types d'emploi de l'énergie
Selon le descriptif des travaux de Losinger Marazzi, les types d'emploi de l'énergie en phase d'ex- ploitation sont composés des éléments suivants :
• Chauage : pompe à chaleur
• Eau chaude sanitaire : chaudière à gaz
• Ventilation mécanique
• Installation technique de transport des personnes : 3 ascenseurs
• Il est assumé qu'il n'y a aucun contrat d'électricité provenant d'énergies renouvelables Ces éléments dénissent le système d'exploitation par défaut pour le projet en question.
Analyse du système d'exploitation par rapport aux valeurs indicatives
En ne considérant que les indications fournies dans le descriptif des travaux en section 1.4, l'aide au calcul SIA 2040 indique des résultats de 205 [M J/m2] en énergie primaire non renouvelable et de 4.9 [kg/m2] en émissions de GES. Autrement dit, les résultats obtenus dépassent les valeurs indicatives de 14% et de 96 % pour les énergies non renouvelables et les émissions de gaz à eet de serre respectivement. Il est donc clair que les types d'utilisation actuelles prises en compte pour le projet ne remplissent pas les conditions pour atteindre les objectifs xés à l'horizon 2050 de la société à 2000 watts.
Figure 23 Résultats de l'outil SIA 2040, valeurs obtenues d'énergie grise et d'émission de CO2 pour le LFZ concernant l'exploitation
En portant une attention particulière à la réduction des émissions de GES, des mesures d'amélio- ration doivent donc être déterminées.
Pour se faire, les réponses du système en fonction des diverses variantes d'exécution fournies dans l'aide au calcul SIA 2040 sont observées. Ces variantes agissent principalement au niveau de la production de chaleur/courant et des contrats d'électricité certiés provenant d'énergies renouve-
Les variantes de production de chaleur
Une première variation se fait donc au niveau du chauage : on peut utiliser un chauage au pellet, CAD chauerie au bois ou CFF biogaz, qui orent tous une diminution de la consomma- tion en énergie non renouvelable sans pour autant diminuer les émissions de GES. L'alternative d'un chauage par bois en plaquette réussit, amenant la consommation en énergie renouvelable en-dessous de la valeur indicative, mais de façon insusante pour respecter la valeur indicative des émissions de GES. On doit donc observer la variation d'autres paramètres si l'on désire atteindre des résultats qui respectent les seuils xés par les valeurs indicatives.
En conservant un chauage par bois en plaquettes et en variant le système de production d'eau chaude, on voit que tout autre moyen de chauage que celui au mazout permet d'abaisser les deux valeurs indicatives. Là encore, le chauage par bois en plaquette est le meilleur de ce point de vue, mais on égalise la valeur indicative des émissions de GES.
Les variantes de contrat d'électricité certié
Au niveau des contrats d'électricité, le fournisseur principal de la ville de Dübendorf, Glattwerk AG, propose deux contrats d'électricité verte :
1) Contrat Baturemade Basic : 90% d'électricité hydraulique, 5% de solaire et 5% de biomasse 2) Contrat Naturemade Star : 50% hydraulique, 20% solaire, 15% éolien et 15% biomasse
Ces contrats sont composés de diérentes proportions d'énergie renouvelable, cependant, l'aide au calcul SIA 2040 ne considère qu'une seule de ces sources. On prendra donc la source dont la proportion est la plus grande dans le contrat, soit l'énergie électrique provenant d'une production hydraulique.
Pour le contrat Baturemade Basic, la proportion d'énergie électrique de source hydraulique est de 90%. Celle-ci arrive à baisser la consommation en énergie primaire non renouvelable jusqu'à res- pecter la valeur indicative, mais avec les variantes du système d'exploitation par défaut du projet, la valeur d'émission de gaz à eet de serre demeure toujours supérieure aux conditions recherchées.
Pour le contrat Naturemade Star, la proportion d'énergie électrique de source hydraulique est de 50%. Les variations sont semblables à celles décrites précédemment mais dans des proportions moindres, car le pourcentage d'énergie verte est plus faible.
En résumé, en xant les meilleures variantes (du point de vue environnemental) pour les diérents modes de chauage ou le meilleur contrat d'électricité certié, on arrive à réduire la valeur de consommation d'énergie primaire non renouvelable susamment en-dessous de la valeur indicative sans toutefois respecter la condition pour les émissions de GES.
Il peut également être intéressant d'obtenir les résultats de la combinaison entre les meilleurs
considérablement en dessous des valeurs indicatives
2) Pour le contrat Naturemade Star, on demeure toujours en dessous des valeurs indicatives mais avec un écart moins important
Les variantes de production propre de courant et de chaleur
En reconsidérant le système d'exploitation par défaut, il est évident que la chaudière à gaz utilisée pour l'eau chaude sanitaire est responsable des valeurs élevées du projet en énergie primaire non renouvelable et en émissions de GES. Une solution visant à soustraire l'énergie fournie dans ce cas consiste en l'utilisation d'énergie renouvelable sur le site même du bâtiment. Par exemple, la production propre de chaleur pour l'eau chaude par capteur héliothermique ache une diminution intéressante des besoins par unité de surface. En eet, ces installations orent des réductions en énergie primaire non renouvelable de plus de 0.2 [MJ] et de 0.01 [kg] en émissions de GES par [m2] de surface. Ainsi, on remarque qu'avec seulement 25 [m2] de surface en capteur solaire, les émissions de GES se voient réduites d'environ 14% et l'énergie primaire non renouvelable de 10%
pour nalement atteindre les valeurs indicatives prescrites.
A titre de comparaison, la même analyse peut être eectuée avec la production propre de cou- rant à l'aide d'installations photovoltaïques. En eet, il est intéressant d'observer qu'au niveau de l'impact sur la réduction des valeurs indicatives du projet, le rendement oert par des panneaux photovoltaïques est considérablement inférieur à celui des capteurs solaires. Ainsi, on remarque qu'il faut jusqu'à 20 [m2] de surface photovoltaïque pour obtenir des diminutions équivalentes données par 1 [m2]de capteur solaire.
Malgré tout, dans les deux cas, le bon fonctionnement des systèmes dépend de la disponibilité temporelle de l'énergie solaire. Des précautions doivent donc être prises en conséquence si de telles options sont retenues pour le projet.
Conclusions
En résumé, la conguration actuelle du lycée en phase d'exploitation ne respecte pas les critères en matière de consommation en énergie primaire non renouvelable et en émissions de GES. Suite à l'étude des réponses du système face aux diérentes variantes, une amélioration des composantes du système est impérative an de respecter les valeurs indicatives soulignées par La voie SIA vers l'ecacité énergétique. Il reste cependant à voir si la faisabilité économique des changements et des travaux nécessaires est possible. On peut également noter que pour chacun des deux contrats d'électricité proposés, les autres formes d'énergie n'ont pas pu être considérées car l'outil SIA les néglige. Par conséquent, cela permettrait peut-être de ne prendre simplement qu'un contrat chez Glattwerk AG pour éviter tout type de travaux et de changements de matériels pour le chauage tout en respectant les valeurs indicatives des deux critères.
Enn, outre les mesures techniques d'exploitation considérées dans cette analyse, il est également important de souligner que les utilisateurs du bâtiment ont une part d'inuence non négligeable sur le bilan énergétique eectif. Il faut donc veiller à sensibiliser les pratiques de ceux-ci lors de la mise en service et tout au long de l'exploitation du bâtiment.
5.3 Bilan énergie et émissions de gaz à eet de serre en lien avec la mobilité quotidienne au moyen de l'outil Excel SIA 2040
Interprétation des résultats par rapport aux valeurs-cibles de la so- ciété à 2000 watts
Le projet étant un établissement scolaire, les concepteurs ont cherché à optimiser ses caractéris- tiques en faveur du critère de mobilité, qui est un critère prépondérant pour une telle aectation.
Le document de présentation du projet donne un aperçu clair des réexions faites concernant l'ac- cès au bâtiment, et ce à diérentes échelles.
La valeur de projet permet de représenter l'état de l'ore des diérents moyens de transport rendant le site accessible et l'état de la demande, exprimée en [personnes*kilomètres]. Diérents sous-critères permettent de comparer l'état du bâtiment futur par rapport à une valeur indicative.
Cependant, aucun de ces sous-critères ne mentionne malheureusement pas la répartition modale des usagers futurs de l'ouvrage.
Deux principales catégories sont considérées : L'ore :
Elle est exprimée par les critères de disponibilité d'abonnements de TP , niveau de desserte du site et de disponibilité de parking à vélo sur le lieu de travail . Plus l'ore de service public de transport est élevée, plus les valeurs de projet d'énergie primaire non renouvelable et d'émis- sions de gaz à eet de serre seront faibles, car une meilleure disponibilité en termes de mobilité propre favorisera une utilisation des transports publics, au détriment des transports individuels motorisés. Le sous-critère Disponibilité de places de parking sur le lieu de travail suit également cette logique. Si le nombre de places de parking diminue, les employés seront poussés à utiliser les transports en communs. On peut noter que le logiciel considère des valeurs de projet pour le parc automobile en 2050 (date des objectifs intermédiaires de la société à 2000 watts) inférieures à celles de 2010, car on suppose que les véhicules en 2050 seront plus ecaces en terme d'énergie et plus respecteux de l'environnement.
La demande :
Elle est exprimée par le sous-critère Zone à bâtir et par le nombre d'employés présent sur le site. Le critère Zone à bâtir permet de quantier (valeur de 1 ou de 0) si le bâtiment se trouve dans une zone comprenant des habitations ou non. Si le bâtiment se trouve dans une zone comprenant des habitations, la valeur sera de 0. Une accessibilité facilitée des employés à leur lieu de travail est donc supposé, leur permettant de se déplacer par voies douces. La demande exprimée en [personnes*kilomètres] sera donc plus faible et la valeur de projet sera réduite car les employés feront moins de kilomètres en véhicule motorisé. Par ce fait, la consommation d'énergie primaire non renouvelable et d'émissions de gaz à eet de serre sera donc également réduite.
les services publics (bus et tramways) et par voies ferroviaires (gare de Stettbach située à 5min à pied de l'école).
Divers modes de transport ont été pris en compte dans l'enceinte-même du bâtiment.
Un système de dépose minute permet aux parents d'accompagner leurs enfants en voiture s'ils le désirent. Les modes doux sont largement favorisés puisque les abords de l'école sont dédiés aux piétons et aux vélos et le nombre de places de parking réduit. Egalement, des places pour vélos proches des entrées dans l'établissement sont mises à disposition.
Le projet obtient les résultats suivant avec l'outil aide au calcul SIA 2040 :
Figure 24 Résultats de l'outil SIA 2040, valeurs obtenues d'énergie grise et d'émission de CO2 pour le LFZ concernant la mobilité
Interprétation des résultats par rapport aux valeurs cibles de la société à 2000 watts Les valeurs de projet de 2010 sont d'environ 30% supérieures aux valeurs indicatives. Quant aux valeurs de projet de 2050 sont inférieures aux valeurs indicatives de la société 2000 watts.
En eet, le logiciel tient compte des progrès techniques et de consommation prévus jusqu'en 2050. A terme, le bâtiment sera donc en adéquation avec les exigences de mobilité de la société à 2000 watts.
L'école étant l'un des seuls établissements scolaires francophones de la ville attirera des élèves qui résident dans l'ensemble de la ville. Ce critère important n'est cependant pas pris en compte par l'outil SIA.
La demande en termes de mobilité sera donc plus importante qu'une école standard car la distance parcourue par ses élèves pourra être plus importante. Cela pourrait se marquer par un plus faible taux d'élèves se rendant à l'école en vélo. Cependant, on peut espérer qu'une grande part des élèves pourra utiliser les transports publics à plus grande échelle au quotidien, an de réduire son impact
5.4 Bilan global compatibilité du bâtiment avec les objectifs quantitatifs de la société à 2000 watts, au moyen de l'outil Excel SIA 2040 Interprétation des résultats par rapport aux valeurs cibles de la société à 2000 watts
Formulation de recommandations pour optimiser de manière globale le bilan du projet
Les valeurs cibles données par l'outil SIA 2040 sont les valeurs qui doivent être atteintes pour un objectif intermédiaire de la société à 2000 Watts pour une nouvelle construction d'école.
Les valeurs cibles pour l'énergie grise (énergie primaire non renouvelable) et pour les émissions de gaz à eet de serre sont la somme des valeurs indicatives pour la construction, l'exploitation et la mobilité.
Pour une école, le tableau 7 de la SIA 2040 donne les valeurs cibles rapportées à une durée d'un an et à la surface de référence énergétique AE. Ces valeurs sont présentées à la gure de ci dessous.
Elles correspondent aux besoins moyens en énergie non renouvelable et aux émissions de gaz à eet de serre admissibles en 2050.
Figure 25 Extrait de la SIA 2040, tableau7
Les valeurs cibles données par l'outil SIA 2040 sont les valeurs qui doivent être atteintes pour un objectif intermédiaire de la société à 2000 Watts pour une nouvelle construction d'école.
Pour le projet LHZ, on obtient les résultats achés dans le tableau suivant :
Figure 26 Résultats de l'outil SIA 2040
On remarque que pour le projet dans sa globalité, avec les hypothèses qui ont été prises pré- cédemment, la valeur pour l'énergie primaire non renouvelable atteint largement la valeur cible.
Cependant, en ce qui concerne les émissions de gaz à eet de serre, le projet n'atteint pas la valeur cible. Il faudra prévoir des améliorations pour diminuer ces émissions, notamment dans la partie exploitation. En eet on remarque que la valeur du projet est supérieur à la valeur indicative uniquement pour cette partie.
Mais, comme on n'a pas pu tenir compte de la contribution des autres énergies pour le contrat d'électricité, on a pu remarquer que l'ajout des 5% d'énergie photovoltaïque permet de baisser les émissions de gaz à eets de serre de 0.1, ce qui nous permettrait d'égaliser la valeur indicative et ainsi respecter le critère de la société à 2000 Watts.
En ce qui concerne la consommation d'énergie grise et les émissions de gaz à eet de serre, nous avons vu que la phase de construction respecte les valeurs limites de la société à 2000 Watts pour les émissions de gaz à eet de serre. Cependant elle dépasse celle pour la consommation d'énergie grise.
Quant à la mobilité, les valeurs de projet respectent les valeurs indicatives, donc le projet concer- nant la mobilité est très performant.
Ces valeurs tiennent compte de l'hypothèse que la surface nécessaire par personne reste constante entre 2005 et 2050 (période de validité de la SIA 2040).
Il faut noter que les valeurs indicatives liées au projet ne doivent pas légalement être respectées.
La norme SIA 380/1 xe les valeurs limites de performance globale requises. Néanmoins, les va- leurs indicatives permettent de savoir où des réductions d'émissions de gaz à eet de serre ou des améliorations d'ecacité énergétique peuvent être faites en priorité.
5.5 Recommandations
L'analyse faite avec les informations disponibles nous a permis de détecter les critères prépondé- rants pour un projet durable. En vue d'une meilleure durabilité du projet (meilleure notation), nous suggérons quelques modications :
• Eviter les toitures plates
• Limiter le volume des excavations ( réduire la surface de parking souterrain)
• Optimiser le placement des fenêtres
• Choisir un contrat d'électricité verte (électricité de provenance hydraulique, solaire et de bio- masse)
•Changer le système de chauage (pompe à chaleur combiné avec chaudière à bois en plaquettes)
• Sensibiliser les utilisateurs pour une économie d'énergie
• Rendre le TP plus attractif (subventions)
• Diminuer le nombre de parking voiture et augmenter le nombre de parking vélo
Amélioration étudiée
Pour la partie exploitation du lycée, on a vu que les valeurs d'émissions de gaz à eet de serre et de consommations en énergie grise étaient toutes les deux supérieures à valeurs indicatives respectives.
Cela est dû principalement au fait que le chauage des pièces et de l'eau se fait avec des pompes à chaleur (voire chauage à mazout en cas de besoin), qui ne sont pas les meilleurs systèmes du point de vue énergétique. On a aussi de très grands volumes à chauer, ce qui amplie le mauvais rendement énergétique des PAC.
On se propose donc d'étudier les diérentes alternatives se proposant à nous parmi la liste présente dans le SIA 2040. On a étudié au cas par cas l'évolution des valeurs d'émissions de gaz à eet de serre et de consommations en énergie grise pour le chauage général, le chauage de l'eau, le type de ventilation et le contrat d'électricité verte :
- Le meilleur moyen de chauage du point de vue environnemental est le chauage par bois en plaquettes. Cependant, changer tout le système de chauage du lycée peut être très coûteux et demander des travaux importants. On a donc continué à chercher les autres solutions.
- Ne touchant pas à la ventilation pour des raisons de sécurité, il ne nous restait plus que le type de contrat d'électricité verte. Le contrat proposé par Glattwerk AG : Naturemade Basic, permet à lui seul de descendre en dessous de la valeur indicative pour la consommation en énergie grise, mais il manque légèrement pour respecter le côté émissions de gaz à eet de serre. Cependant, le chier ne prenant en compte qu'une seule source d'énergie pour l'électricité verte et le contrat Naturemade Basic proposant en plus de l'hydraulique 5% de solaire et 5% de biomasse, cela nous permet au nal de respecter les deux valeurs indicatives.
On choisit donc l'alternative du contrat d'électricité verte qui permet de respecter les valeurs in- dicatives du SIA 2040 et ne demande aucun travaux sur le lycée.
Figure 27 Amélioration de l'exploitation étudiée
6 Construction d'une halle de sport
Notre étude d'approfondissement consiste en l'étude de cycle de vie de diérentes variantes struc- turelles et d'enveloppes de la halle de sport.
Nous avons analysé les variantes structurelles de structure porteuse en bois, métal et béton, et des variantes de l'enveloppe de ces trois matériaux en combinaison avec chacune des variantes structurelles.
Le but est d'analyser l'impact des choix pris par les concepteurs sur le cycle de vie global de cette halle de sport, de voir quel part la construction a sur le cycle de vie global en terme de l'énergie grise et en émissions de gaz à eet de serre, et d'identier la variante optimale concernant le développement durable.
Figure 28 Vue en élévation de la halle étudie
Figure 29 Coupe schématique de la halle étudie La halle est semi-enterrée.
Avec :
Volume excavé : 2759 m3
Figure 30 Flowchart de la partie 2 de l'étude
6.1 Variante bois
6.1.1 Structure porteuse
Charge utilisée pour le prédimensionnement : - Surcharge sur le toit gk2 = 3 kN/m2]
- Charge de neigeqk = 1 [kN/m2] - Estimation poids propregk1 = 10% (gk2+qk) Système statique de la halle est illustré par la gure ci-dessous :
Figure 31 Schéma statique de la structure en bois
Figure 32 Photo d'une halle similaire (source : ingéligno - étude structures bois) Le matériau utilisé pour la structure en bois sera du GL24h.
Après un calcul sur Excel an d'essayer d'optimiser au minimum l'espacement des cadres sans avoir de trop grosses sections, nous arrivons aux résultats suivants :
Espacement entre les cadres : 4.06m
La poutre est dimensionnée à l'État Limite Ultime (ELU). Pour le calcul à l'État Limite de Service (ELS), nous obtenons une èche de 91.3 [mm], alors qu'une èche admissible pour l'aptitude au fonctionnement pour des structures porteuses avec des éléments incorporés peu sensibles aux déformations donne une èche admissible de 80.5 [mm].
On choisit alors de prévoir une contre-èche de 92 [mm] an de contrebalancer l'ensemble de charge de service en ayant pris en compte les eets à long terme (uage du bois :P hi = 0.6).
Figure 33 Section de la poutre principale
Pour la section des poteaux, nous avons eectué une vérication au ambement en plus de la ré- sistance aux eorts. Selon l'axe faible, les poteaux sont tenus par une lière, qui permet de réduire par 2 la hauteur de ambage. Alors que selon l'axe fort, les poteaux sont seulement tenus en haut par le contreventement. Nous obtenons les sections suivantes :
Section des poteaux : 160*360 mm2
Figure 34 Section des poteaux
Nous avons ensuite calculé l'espacement des pannes qui seront espacées de façon à ce que les pan- neaux trois plis posés dessus puissent résister aux eorts.
Avec des panneaux trois plis de résistance à la exionfy=18.5N/mm2 On obtient un espacement des pannes de 1.7 m
Ensuite avec des pannes en GL24H, on obtient la section des pannes de 160*240mm2
Pour la partie sous-sol, la structure porteuse est assurée par des poteaux de 600*800mm2 Pour prendre en compte les contreventements et les assemblages nécessaires, le volume est majoré de GL24h et de bois multicouche de 15%.
Les volumes suivants sont alors obtenus :
Figure 35 Volume de matériaux nécessaires pour la structure porteuse
En prenant les valeurs nécessaires d'énergie grise et d'émissions de CO2 dans la KBOB, on obtient les résultats récapitulés dans le tableau suivant :
Figure 36 NRE et émission de gaz à eet de serre pour la structure porteuse en bois On remarque que pour le bois, l'énergie grise pour l'élimination ne représente que 2.6% de l'énergie grise totale nécessaire. C'est donc un très bon matériau pour recycler la structure. En ce qui concerne les émissions de gaz à eet de serre, l'élimination représente 22% des émissions totales due à la structure porteuse. On remarque également que pour la fabrication et l'élimination, le béton est bien meilleur que le bois par rapport à la consommation d'énergie grise et d'émission de gaz à eet de serre.
6.1.2 Façade bois
Pour respecter minergie, le bâtiment doit avoir un coecient U [W/m2K] égal ou inférieur à 0.15.
Pour calculer le coecient U total de la halle de sport nous utiliserons un chier excel que nous avons créé. La valeur totale de U est calculée comme une moyenne pondérée avec les surfaces.
Figure 37 Calcul du coecient U pour respecter le label Minergie Eco
A l'aide du logiciel Lesosai, nous avons choisi les façades qui conviennent au label Minergie à base de bois. Ce qui nous intéresse ici, ce n'est pas la composition même de ces façades mais leurs besoins en énergie grise et leurs émissions de gaz à eet de serre pour leur fabrication et mise en place. La durée de vie joue donc un rôle primordial dans le bilan global des façades, car le remplacement d'une façade à la n de sa durée de vie aura un impact sur le bilan global d'énergie grise et d'émissions de gaz à eet de serre.
Pour les façades choisies, nous obtenons les dépenses en énergie grise et les émissions de gaz à eet de serre résumées dans le tableau suivant :
Remarque : seules les façades sous-sol ont été décomposées car leurs composantes n'avaient pas les mêmes durées de vie.
Ensuite, nous avons aussi évalué la consommation d'énergie grise pendant la phase d'exploitation, ainsi que les émissions de gaz à eet de serre.
Pour cela, nous avons utilisé le logiciel Lesosai, qui nous a donné les besoins de chaleur pour la halle de sport.
Figure 39 Besoin de chaleur pour le chauage pour la variante façade bois
Cette valeur est ensuite utilisée dans la feuille de calcul SIA 2040, dans l'onglet Exploitation.
Nous spécions l'installation de production de chaleur : une pompe à chaleur eau/eau et choisis- sons un type de contrat d'électricité, dont 90 % de l'énergie est de source hydraulique.
Nous obtenons alors les valeurs suivantes pour l'exploitation :
Figure 40 NRE et émissions de gaz à eet de serre pour l'exploitation de la variante avec la façade en bois
6.1.3 Variante structure porteuse et façades en bois
Avec les valeurs explicitées précédemment, nous allons étudier les besoins en énergie grise et les émissions de gaz à eet de serre de la halle de sport pour le cas où la structure porteuse et les façades sont en bois. Seule la structure porteuse sous le sol est en béton.
Nous allons étudier les deux paramètres sur la durée de vie de la halle.
On obtient les résultats suivants pour la consommation d'énergie grise.
Figure 41 Energie grise sur la durée de vie de la halle
Pour une durée de vie de 100 ans, on remarque que la construction de la structure porteuse et des façades, ainsi que le renouvellement des façades occupent encore une part importante dans la consommation totale d'énergie grise. L'élimination quant à elle est pratiquement négligeable. Il est important de noter que les interventions sont espacées de 20 ans. Cette durée est plutôt importante ce qui ne devrait pas trop nuire à l'utilisation de la halle.
On pourrait prolonger la durée de vie du bâtiment, mais il faudrait alors prendre en compte un possible entretien de la structure porteuse. Pour une durée de vie plus longue la construction deviendrait alors une partie plus négligeable de la consommation d'énergie grise.
Avec le graphique des proportions ci-dessus, on remarque que pour 100 ans, l'exploitation est res- ponsable pour la majeure partie de la consommation en énergie grise. Cet écart se creusera si on prolonge la durée de vie du bâtiment. Pour atténuer cette partie il faudrait changer le système de chauage.
Nous allons maintenant nous intéresser aux émissions de gaz à eet de serre.
Figure 43 Émissions de gaz à eet de serre sur la durée de vie de la hall
Pour les émissions, le remplacement de façades à 60 ans occupe une grande part. Cela est due au feutre bitumineux dans les façades sous-sol qui provoque d'énormes émissions de gaz à eet de serre lors de leur fabrication. Pour les autres couche des façades qui doivent être remplacées, on peut voir qu'elles ont un très petit impact sur les émissions globales.
La construction est une partie importante et on voit que l'exploitation ne provoque pas de très grandes émissions.
Figure 44 Proportion des diérentes provenances des émissions de gaz à eet de serre
6.2 Variante métal
6.2.1 Structure porteuse
Un prédimensionnement de la structure porteuse selon les mêmes charges que pour la variante bois est établie pour le système statique suivant :
Figure 45 Système statique transversal de la variante métal, côtes en cm La poutre principale est un treillis avec des diagonales en traction sous charge permanente.
Figure 46 Poutre principale, treillis avec diagonales tendues Composition de la structure porteuse : Acier S355
Treillis : HEA 300, RRK 160.160.16, RRK 120.120.8 et RRK 120.120.5 Piliers HEB180 stabilisés selon axe faible à mi-hauteur
Poutres transversales IPE240 e=2.5m L=6.5m
Bacs en acier (support d'étanchéité) Hacierco 74S (ArcelorMittal) Le prédimensionnement des fondations a été réalisé pour cette variante.
(i)
(ii)
Figure 47 Fondations pour la variant métal (i) Détail des fondations, côtes en cm (ii) Le métré de la variante structurelle en métal est présenté dans le tableau de ci-dessous :
A l'aide du métré et des valeurs de l'énergie grise et d'émission de gaz à eet de serre obtenue à l'aide de KBOB les tableaux suivants sont établis.
Figure 49 NRE et émission de gaz à eet de serre pour la structure porteuse en métal
Figure 50 Répartition de NRE et d'émission de gaz à eet de serre pour la structure porteuse en métal
On remarque que pour une structure en acier, l'énergie grise pour l'élimination est nulle car l'acier est entièrement recyclable. C'est donc un très bon matériau pour envisager un recyclage de la structure. Il n'y a donc pas d'émissions de CO2 pour l'acier. C'est le béton complémentaire qui aura le plus d'impact sur l'environnement lors de son élimination. L'acier représente pratiquement la moitié de la consommation en énergie grise pour sa fabrication et un tiers des émissions de CO2.
C'est un matériau relativement consommateur d'énergie pour sa fabrication comparé au béton ou à l'excavation, compte tenu aussi du faible volume nécessaire par rapport à celui du béton complémentaire.
6.2.2 Façade en métal
Pour respecter le label Minergie Eco, le bâtiment doit avoir un coecient U [W/m2K] égal ou inférieur à 0.15.
Pour calculer le coecient U total de la halle de sport nous utiliserons le chier Excel montré précédemment dont voici les résultats :
Figure 51 Calcul du coecient U pour respecter le label Minergie Eco
A l'aide du logiciel Lesosai, nous avons choisi les façades qui conviennent au label Minergie à base de métal dans la base de données de Lesosai. Dans le cas présent, on ne s'intéresse pas à la compo- sition même de ces façades mais plutôt à leurs besoins en énergie grise et leurs émissions de gaz à eet de serre pour leur fabrication et mise en place. La durée de vie joue donc un rôle prédominant dans le bilan global des façades, car le remplacement d'une façade à la n de sa durée de vie aura un impact sur le bilan global d'énergie grise et d'émissions de gaz à eet de serre non négligeable.
Pour les façades choisies, nous obtenons les besoins en énergie grise et les émissions de gaz à eet de serre résumés dans le tableau suivant :
Figure 52 NRE et émission de gaz à eet de serre pour la structure non porteuse en métal Remarque : seules les façades sous-sol et le plancher ont été décomposés car leurs composantes n'avaient pas les mêmes durées de vie.
Ensuite, nous avons évalué la consommation d'énergie grise pendant la phase d'exploitation, ainsi que les émissions de gaz à eet de serre.
Pour se faire, nous avons utilisé le logiciel Lesosai duquel les besoins en chaleur pour la halle de sport sont obtenus, toujours en se référant à Minergie.
Figure 53 Besoin de chaleur pour le chauage pour la variante façade métallique Cette valeur est ensuite utilisée dans la feuille de calcul SIA 2040, sous l'onglet Exploitation.
Nous spécions l'installation de production de chaleur : une pompe à chaleur eau/eau (cas réel) et choisissons un type de contrat d'électricité (Naturemade Basic de Glattwerk), dont 90% de l'énergie provient de sources hydrauliques. C'est d'ailleurs l'alternative qui avait été retenue pour respecter les valeurs indicatives de NRE et d'émissions de GES.
Nous obtenons alors les valeurs suivantes pour l'exploitation :
Figure 54 NRE et émissions de gaz à eet de serre pour l'exploitation de la variante avec la façade en métal
Le résultat suivant est obtenu pour la variante structure porteuse et non porteuse pour un cycle de vie de l'ouvrage comportant les étapes suivantes :
- à 30 ans : Remplacement enduit mortier intérieur, Murs SS
à 40 ans : Remplacement isolation wizard+feutre bitumineux, Murs SS
- à 60 ans : Remplacement seconde oeuvre toiture (isolation) + façade HS + seconde oeuvre plancher + béton CEN + enduit mortier int.
- à 80 ans : Remplacement isolation wizard+feutre bitumineux, Murs SS - à 90 ans : Remplacement enduit mortier intérieur
- à 100 ans : déconstruction (ou réfection de la structure porteuse)
Figure 55 NRE et émissions de gaz à eet de serre sur la durée de vie de la halle en variante métal
6.2.3 Variante structure métallique et façades en bois
Avec les valeurs explicitées précédemment, nous allons étudier les besoins en énergie grise et les émissions de gaz à eet de serre de la halle de sport pour le cas où la structure porteuse est en métal et les façades sont en bois. Seule la structure porteuse sous le sol est en béton.
Nous allons étudier les deux paramètres (NRE et émissions de GES) sur l'ensemble de la durée de vie de la halle. On obtient les résultats suivants pour la consommation d'énergie grise :
Figure 56 Émissions de gaz à eet de serre sur la durée de vie de la hall variante métal-bois
Figure 57 Proportion des diérentes consommations d'énergie grise pour une durée de vie de 100 ans, variante métal-bois
Pour une durée de vie de 100 ans, on remarque que la construction et l'entretien des façades valent chacune environ un tiers de la consommation totale d'énergie grise. L'élimination quant à elle est pratiquement négligeable. Il est important de noter que les interventions sont espacées de 20 ans
